К.т.н. Гаврилів Ю.Л., аспірант Гаврилів С.Ю.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Дослідження динаміки руху кулачкових сухарів

Для зупинки водила планетарного редуктора в круглій трубі застосовують різноманітні пристрої: механічні, гідравлічні, пневматичні, тощо. Одним із варіантів є застосування кулачкових сухарів, які під дією сил інерції здійснюють плоско-паралельний рух: вони обертаються разом з водилом, здійснюючи переносний рух, і обертаються відносно осі ексцентрика, здійснюючи відносний рух (рис.1).

Геометричні параметри водила визначаються з умови передачі заданого крутного моменту, і є незмінними. Тому геометричні параметри ексцентрикових сухарів обмежені ззовні розмірами обсадної труби, а зсередини – розмірами водила.

Рисунок 1. Схема визначення швидкостей центра мас сухаря

В початковий момент обертання колони труб сухарі притиснуті до корпуса водила. Точка А на поверхні сухаря є найвіддаленішою від осі труби. Вона може бути точкою контакту сухаря з внутрішньою поверхнею обсадної труби.

Опорний профіль кулачкового сухаря призначений для гальмування на внутрішній поверхні обсадної труби. Він повинен бути спроектований таким чином, щоби при контакті з поверхнею труби сили тертя ковзання в т. А були достатніми для подальшого обертання сухаря навколо його осі О₁ з наступним коченням по поверхні труби аж до повного гальмування за рахунок ексцентриситету опорної поверхні сухаря.

Для заданого діаметра АО обсадної труби координати т. А визначаються з умови самогальмування сухаря в трубі і залежать від кута підйому α. Для деталей, виготовлених зі сталі, α_max ≤ 11,5⁰. Для забезпечення запасу гальмування приймають α ≤ 8⁰.

Обертання колони бурильних труб є вкрай нерівномірним. Особливо в момент запуску ротора. Тому при дослідженні динаміки руху ексцентрикових сухарів застосовуємо формули для нерівномірного руху точок твердих тіл.

Переносна швидкість точок сухаря дорівнює

(1)

Відносна швидкість точок сухаря дорівнює

(2)

Неважко бачити, що

Принагідно зауважимо, що профіль опорної поверхні сухаря є змінним в залежності від діаметрів обсадних труб, у яких застосовуватиметься проектований пристрій. Визначення віддалі СО₁ кожного виду ексцентрикового сухаря є окремим завданням. Це стосується і питання визначення маси ексцентрикового сухаря, визначення моменту тертя в осі сухаря, можливості контакту внутрішньої поверхні сухаря і водила, тощо.

Центр мас ексцентрикового сухаря рухається з прискоренням, складові частини якого зображені на рис. 2.

Запишемо рівняння складного руху центра мас ексцентрикового сухаря в звичайних осях координат.

(3)

або

m∙( ā_eⁿ + ā_e^τ + ā_rⁿ + ā_r^τ + ā_k )= Σ F_i^E (4)

де

m – маса сухаря;

Рисунок 2. Схема визначення прискорень центра мас сухаря

ā_eⁿ - переносне нормальне прискорення;

(5)

ā_e^τ - переносне тангенціальне прискорення;

(6)

ā_rⁿ - відносне нормальне прискорення;

(7)

ā_r^τ - відносне тангенціальне прискорення;

(8)

ā_k - коріолісове прискорення;

(9)

- і-та зовнішня сила.

Зовнішньою силою для даного випадку взаємодії ексцентрикового сухаря і обсадної колони є реакція N стінки обсадної колони, спрямована до осі обертання бурильної колони (рис. 3).

Рисунок 3. Схема дії сил на сухар

Спроектуємо рівняння (2.18) на вісь ОА:

Ф_eⁿ cos(α₁-β) +Ф_e^τ sin(α₁-β)+Ф_rⁿ cos(π-α₂+α) –

-Ф_r^τ sin(π-α₂+α) + Ф_k cos(π-α₂+α)= N (10)

або:

(11)

Рівняння (11) дає можливість досліджувати величину нормальної реакції N обсадної труби від конструктивних параметрів сухарів, розмірів обсадної колони і умов обертання бурової колони.

Розв’язок рівняння (11) для заданих умов експлуатації пристрою дозволяє знайти силу тертя гальмування сухаря

де f – коефіцієнт тертя матеріалу сухаря по матеріалу обсадної труби.

Швидкість обертання бурильної колони можна регулювати ротором бурильної установки в межах від 3 с^-1 до 24 с^-1 (30…240 хв^-1) що для сухаря, зображеного на рис. 3, відповідає величині реакції N = 3 …98 Н.

Приймаючи в розрахунках f = 0,1 неважко бачити, що застосування пристрою при малих обертах бурильної колони може привести до того, що сила F виявиться недостатньою для гальмування сухаря. Тому можливе примусове притискання сухарів, наприклад, конічними виступами і важелями для наступного його кочення по поверхні обсадної труби.

Література

1. Ловильные работы при добыче нефти. Мусаелянц Р.Н., Расторгуев М.А., Поляков В.Н. и др.. - М.: Недра, 1975.

2. Чернавский С.А. и др. Курсовое проектирование деталей машин. М.: Машиностроение, 1988.

3. М.А.Ансеров „Приспособления для металорежущих станков”– М.: Машино-строение, 1987.